Dependencia de la concentración

Fuente: Smaa Koraym de la Universidad Johns Hopkins, MD, EE.UU.

1. Dependencia de ConcentraciónExpandir

   En este experimento, combinará concentraciones variables de HCl acuoso y tiosulfato de sodio para producir azufre sólido, que se acumula rápidamente en partículas amarillas opacas a una cierta concentración de azufre. Dado que la solución de reacción comienza clara e incolora, puede saber fácilmente cuándo alcanza esa concentración.

   Usarás el mismo tubo de ensayo y el mismo volumen total cada vez, por lo que se necesitará la misma cantidad de azufre para que cada solución sea completamente opaca. Por lo tanto, medirá el progreso de la reacción cronometrando el tiempo que tarda. A continuación, utilizará esos datos para estimar los órdenes de reacción de los reactivos individuales y de la reacción general.

   Antes de comenzar el laboratorio, haga una tabla que enumere las concentraciones de reactivos, el tiempo hasta la opacidad de la solución y la temperatura de la solución para los ensayos.

   Tabla 1: Progreso de la reacción

   juicio	[na2s2o3] (m)	[HCl] (M)	Tiempo (s)	Temperatura (°C)
   1	0.1 M	3.0 M
   2	0.1 M	3.0 M
   3	0.2 M	3.0 M
   4	0.15 M	3.0 M
   5	0.05 M	3.0 M
   6	0.1 M	6.0 M
   7	0.1 M	4.5 M
   8	0.1 M	1.5 M

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   Queremos asegurarnos de que todas las reacciones tengan lugar a temperatura ambiente. Realizará dos ensayos de referencia, tres ensayos con diferentes concentraciones de tiosulfato de sodio y tres ensayos con diferentes concentraciones de HCl. Variará las concentraciones diluyendo soluciones madre de tiosulfato de sodio y HCl, como se muestra en las siguientes tablas.

   Tabla 2: Diluciones de tiosulfato de sodio

   Concentración objetivo	Volumen de tiosulfato de sodio 0.2 M	Volumen de agua desionizada
   0.05 M	5 mL	15 mL
   0.10 M	10 mL	10 mL
   0.15 M	15 mL	5 mL
   0.20 M	20 mL	0 mL

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   Tabla 3: Diluciones de HCl

   Concentración objetivo	Volumen de HCl de 6.0 m	Volumen de agua desionizada
   1.5 M	2.5 mL	7.5 mL
   3.0 M	5.0 mL	5.0 mL
   4.5 M	7.5 mL	2.5 mL
   6.0 M	10 mL	0 mL

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   Recuerde tener cuidado al manipular HCl, que es tóxico y altamente corrosivo. El dióxido de azufre, que es un producto gaseoso de esta reacción, también es tóxico. Dejará los residuos de reacción en la campana extractora durante la noche para que el dióxido de azufre escape sin causar daño.

   • Primero, ponte una bata de laboratorio, gafas de seguridad a prueba de salpicaduras y guantes de nitrilo.
   • Llene una botella de lavado de plástico con agua desionizada y marque un tubo de ensayo con una X.
   • Sujete el tubo de ensayo sobre el centro de una pequeña placa de agitación. La etiqueta debe estar en el lado opuesto al suyo. Asegúrese de que pueda ver claramente la X. Coloque una pequeña barra magnética para agitar en el tubo de ensayo.
   • Use una abrazadera de termómetro para asegurar un termómetro de vidrio en el tercio inferior del tubo, manteniéndolo alejado de la X y la barra de agitación.
   • Corta una hoja de unos 20 cuadrados de película plástica de parafina de un rollo y lleva la hoja de vuelta a tu capó.
   • Coloque toallas de papel en la campana extractora como una superficie limpia para que el material de laboratorio se reutilice.
   • Etiquete un vaso de precipitados de 600 mL como 'residuo' para la reacción, un vaso de precipitados de 100 mL como '0.2 M de tiosulfato de sodio' y un vaso de precipitados de 50 mL como '6 M HCl'.
   • Llene el vaso de precipitados de 100 ml con tiosulfato de sodio 0,2 M del frasco de stock en la campana dispensadora.
   • Después de eso, lleve el vaso de precipitados de 50 ml y un vidrio de reloj a la campana dispensadora de ácido para obtener 50 mL de HCl de 6 M. Cubra el vaso de precipitados lleno con el vidrio del reloj y lleve su porción de HCl de vuelta a su campana.
   • Prepare 20 mL de tiosulfato de sodio 0.1 M para el primer ensayo de referencia. Utilice una pipeta volumétrica de 10 mL para medir 10 mL de tiosulfato de sodio de 0,2 M y dispense en un matraz aforado de 20 mL. Llene el matraz aforado de 20 ml con agua desionizada hasta la marca.
   • Luego, corte un cuadrado de película plástica de parafina, selle el matraz e inviértalo varias veces para mezclar bien la solución.
   • Retira la película y vierte la solución en el tubo de ensayo.
   • Prepare 10 mL de HCl 3 M. Pipetee 5 mL de HCl 6 M en un cilindro graduado de 10 mL. Agregue agua desionizada para llenar el cilindro graduado hasta la línea de 10 mL.
   • Selle la parte superior del cilindro graduado con una película de parafina plástica y mezcle bien la solución de HCl invirtiéndola varias veces.
   • Ahora, enciende el motor de agitación y obtén un cronómetro de reinicio. Confirme que puede ver la X a través de la solución en el tubo de ensayo.
   • Simultáneamente ponga en marcha el cronómetro y vierta el HCl 3 M en el tubo de ensayo.
   • Observe la X a través de la solución, que comenzará a enturbiarse cuando se haya producido suficiente azufre para saturarla. Detenga el cronómetro exactamente cuando la solución se vuelva tan opaca que la X desaparezca.
   • Registre el tiempo en su cuaderno de laboratorio para la prueba de referencia 1 y luego reinicie el cronómetro. Además, registre la temperatura de la solución.
   • Ahora, apague el motor de agitación, retire el termómetro y enjuáguelo con agua desionizada en el vaso de precipitados.
   • Luego, vacíe el tubo de ensayo en el vaso de precipitados, recupere la barra de agitación con pinzas largas y enjuague el tubo de ensayo y la barra de agitación con agua desionizada.
   • Limpie a fondo el tubo de ensayo con un cepillo para tubos de ensayo. Enjuague brevemente el matraz volumétrico y el cilindro graduado con agua desionizada también. Seca todo con toallas de papel.
   • Repite la prueba exactamente de la misma manera para el segundo tiempo de referencia. Si el tiempo no está dentro de los 3 a 5 segundos de la primera prueba, repita la prueba de referencia hasta que tenga dos pruebas consistentes.
   • Siga el mismo procedimiento general para cada ensayo subsiguiente, cambiando las diluciones como se indica en su tabla y limpiando su cristalería entre cada ensayo. Utilice una pipeta volumétrica de 5 ml según sea necesario cuando mida la solución madre de tiosulfato de sodio en los ensayos cuatro y cinco.
   • Una vez que hayas realizado las ocho pruebas, enjuaga tu cristalería y herramientas por última vez y neutraliza los residuos de la reacción con bicarbonato de sodio. Tenga cuidado porque el dióxido de azufre es uno de los productos de la reacción.
   • Transfiera los residuos de reacción neutralizados al contenedor de residuos designado. A continuación, vierta el resto de la solución de tiosulfato de sodio en el contenedor de residuos etiquetado y enjuague el vaso de precipitados con agua desionizada.
   • Neutraliza cualquier resto de HCl con bicarbonato de sodio antes de tirarlo por el desagüe con agua del grifo.
   • Finalmente, limpia y guarda tu material de laboratorio de acuerdo con tus prácticas estándar y tira cualquier basura que quede en tu capó. Su instructor se deshará de los residuos de reacción más tarde.
2. Resultadosexpandir
   • Ahora, estime el orden de reacción del tiosulfato de sodio y el HCl. Calcule la concentración inicial de tiosulfato de sodio en la mezcla de reacción para los ensayos 1 a 5. Al observar la concentración de tiosulfato de sodio y los tiempos de reacción, vemos que a medida que la concentración se duplica, el tiempo hasta la opacidad se reduce a la mitad.

     Tabla 4: Estimación del orden de reacción del tiosulfato de sodio

     Trial	[Na2S2O3] añadido	Na2S2O3 volumen (mL)	Volumen total (mL)	[Na2S2O3] en mezcla	Tiempo (s)	Tiempo inverso (s-1)
     1, 2	0.1
     3	0.2
     4	0.15
     5	0.05

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   • Recuerde que cada ensayo usó el mismo volumen, por lo que se necesitó la misma cantidad de azufre para hacer que cada solución fuera opaca. Por lo tanto, la reacción es dos veces más rápida cuando se duplica la concentración de tiosulfato de sodio.
   • Cuando la concentración aumenta en un factor de 4, la velocidad de reacción también aumenta en un factor de 4. Esta relación uno a uno sugiere que la reacción fue de primer orden para el tiosulfato de sodio. Si es así, esperaríamos que un gráfico de la tasa frente a la concentración de tiosulfato de sodio sea lineal.
   • No medimos cuánto azufre se necesitó para que la solución se volviera opaca, pero suponemos que era lo mismo para cada prueba. Esto nos permite usar el inverso del tiempo a la opacidad como sustituto de la tasa. La pendiente no será igual a k, pero eso está bien para este laboratorio.
   • Representa el tiempo de reacción inverso en función de la concentración de tiosulfato de sodio. Esto confirma la relación lineal entre la producción de azufre y la concentración de tiosulfato. Por lo tanto, la reacción parece ser de primer orden con respecto al tiosulfato.
   • Utilice el mismo método para estimar el orden de reacción del HCl. En primer lugar, calcule la concentración inicial de HCl en los ensayos de referencia y en los ensayos 6 a 8.

     Tabla 5: Estimación del orden de reacción HCl

     Trial	[HCl] añadido	Volumen de HCl (mL)	Volumen total (mL)	[HCl] en mezcla	Tiempo (s)
     1, 2	0.1
     3	0.2
     4	0.15
     5	0.05

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   • Luego, observa la concentración de HCl y los tiempos de reacción para estos ensayos. Los tiempos de reacción son casi idénticos, por lo que la concentración de HCl no tiene ningún efecto sobre la velocidad de reacción. Esto significa que el HCl parece ser de orden cero para esta reacción.
   • Por último, suma los órdenes de reacción de los reactivos para obtener el orden de reacción general.